[論文レビュー] Novel analytical model of anisotropic multi-layer cylindrical waveguides incorporating graphene layers

Mohammad Bagher Heydari, Mohammad Hashem Vadjed Samiei|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 69被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、軸方向磁界を受ける磁性材料の間にグラフェン層を埋め込んだ異方性多層円筒波ガイドのための新規な解析的モデルを提案する。一般行列形式を用いて分散関係を導出し、有効屈折率および伝搬特性を計算する。10–40 THz帯域において優れた一致を示す解析的結果とシミュレーション結果の一致が確認され、可変性を持つプラズモニックデバイス（モードレーターやセンサーなど）の設計が可能となる。

ABSTRACT

We propose a novel analytical model for anisotropic multi-layer cylindrical structures containing graphene layers. The general structure is formed by an aperiodic repetition of a three-layer sub-structure, where a graphene layer, with an isotropic surface conductivity, has been sandwiched between two adjacent magnetic materials. An external magnetic bias has been applied in the axial direction. General matrix representation is obtained in our proposed analytical model to find the dispersion relation. The relation will be used to find the effective index of the structure and its other propagation parameters. Two special exemplary structures have been introduced and studied to show the richness of the proposed general structure regarding the related specific plasmonic wave phenomena and effects. A series of simulations have been conducted to demonstrate the noticeable wave-guiding properties of the structure in the 10-40 THz band. A very good agreement between the analytical and simulation results is observed. The proposed structure can be utilized to design novel plasmonic devices such as absorbers, modulators, plasmonic sensors and tunable antennas in the THz frequencies.

研究の動機と目的

• 異方性多層円筒波ガイドにグラフェンおよび磁性材料を組み込んだ一般解析的フレームワークの構築を目的とする。
• 層状円筒構造内の波動伝搬に及ぼす軸方向磁界の影響をモデル化することを目的とする。
• 行列法を用いて有効屈折率および伝搬定数の正確な計算が可能な分散関係を導出することを目的とする。
• 豊富なプラズモニック現象を示す具体的な例示構造を用いて、モデルの有効性を実証することを目的とする。
• 解析的結果をシミュレーションと比較し、THzプラズモニックデバイスへの応用可能性を確立することを目的とする。

提案手法

• 多層円筒構造内の電磁界伝搬を記述する一般行列表現を構築する。
• 周期的でない繰り返し構造として、等方的表面導電率を用いてグラフェン層をモデル化する。
• 周囲の磁性材料に軸方向磁界を導入し、異方性を誘導する。
• 行列形式から分散関係を導出し、有効屈折率および伝搬定数を決定する。
• プラズモニック波現象および波ガイド挙動の解析を目的として、2つの例示的構成を適用する。
• 10–40 THz帯域全域にわたり、広範なシミュレーションを用いて解析的結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性材料の間にグラフェン層を挿入することにより、円筒波ガイド内の分散特性にどのような影響が生じるか？
• RQ2 提案された多層構造における軸方向磁界が、有効屈折率および伝搬モードに与える影響は何か？
• RQ3 解析的モデルは、数値シミュレーションと比較して、波ガイド挙動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 異なる層構成およびバイアス条件の下で、提案された構造にどのようなプラズモニック現象が現れるか？
• RQ5 このモデルは、モードレーターやセンサーなどの実用的THzプラズモニックデバイスの設計を支援できるか？

主な発見

• 解析的モデルは、10–40 THz帯域全域でシミュレーション結果と優れた一致を示す。
• 構造は10–40 THz帯域で強力な波ガイド特性を示し、効率的なモード閉じ込めが可能である。
• 軸方向磁界により、有効屈折率および伝搬特性のチューナビリティが実現可能である。
• 2つの例示的構成は、モード混合や強化された電場局在といった豊富なプラズモニック波現象を示した。
• 本モデルは、THz帯域における可変性を持つプラズモニックデバイス（モードレーターやセンサー、吸収体など）の設計を支援できる。
• 行列ベースの定式化により、複雑な異方性多層円筒波ガイドの解析に一般的かつスケーラブルなアプローチが提供される。